Bor (B) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Bor (B) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 5 und gehört zu den Halbmetallen. Es steht in der zweiten Periode und in der 13. Gruppe des Periodensystems. Bor besitzt eine ungewöhnliche Chemie: Es bildet besonders stabile, häufig elektronenarme Verbindungen und kann in kristalliner Form außerordentlich hart sein. Während reines Bor im Alltag kaum sichtbar ist, begegnen uns seine Verbindungen in hitzebeständigem Glas, Waschmitteln, Keramik, Magneten und technischen Werkstoffen.

Die Geschichte des Bors reicht von der Verwendung des Minerals Borax bis zur modernen Halbleiter- und Kerntechnik. Besonders bemerkenswert ist seine Rolle in der Chemie der Borane, deren ungewöhnliche Bindungsverhältnisse lange Zeit ein Rätsel darstellten. Bor zeigt damit eindrucksvoll, dass die chemischen Eigenschaften eines Elements weit über die einfachen Regeln der Hauptgruppen hinausgehen können.

Bor im Periodensystem – Steckbrief

Die relative Atommasse wird als Intervall angegeben, weil die natürliche Isotopenzusammensetzung von Bor je nach Herkunft schwanken kann. In vielen Periodensystemen findet sich der gerundete Wert 10,81.

Was ist Bor?

Bor ist ein festes, bei gewöhnlichen Temperaturen chemisch vergleichsweise beständiges Element. Es gehört zur 13. Gruppe des Periodensystems, der sogenannten Borgruppe. Zu dieser Gruppe zählen außerdem Aluminium, Gallium, Indium und Thallium sowie das künstlich erzeugte Nihonium.

Bor unterscheidet sich deutlich von den übrigen Gruppenmitgliedern. Während Aluminium und die schwereren Elemente metallische Eigenschaften besitzen, wird Bor als Halbmetall eingeordnet. Seine elektrische Leitfähigkeit ist vergleichsweise gering und hängt stark von seiner Struktur, Reinheit und Temperatur ab.

Reines Bor tritt in verschiedenen Strukturformen auf. Besonders bekannt sind amorphes Bor, das meist als braunes Pulver erscheint, und kristallines Bor, das dunkel, hart und spröde ist.

Warum steht Bor in der 13. Gruppe des Periodensystems?

Ein neutrales Boratom besitzt fünf Protonen im Atomkern und fünf Elektronen in der Atomhülle. Seine Elektronenkonfiguration lautet 1s² 2s² 2p¹. Zwei Elektronen befinden sich in der ersten Schale und drei in der zweiten Schale.

Die drei Außenelektronen erklären, weshalb Bor in vielen Verbindungen die Oxidationszahl +3 besitzt. Anders als typische Metalle bildet Bor jedoch nicht bevorzugt einfache B³⁺-Ionen. Stattdessen entstehen meist kovalente Bindungen, bei denen sich Atome Elektronenpaare teilen.

Diese Besonderheit hängt mit der relativ kleinen Atomgröße und der hohen Energie zusammen, die für die vollständige Entfernung von drei Elektronen erforderlich wäre.

Welche Eigenschaften hat Bor?

Bor besitzt einen hohen Schmelzpunkt, eine geringe elektrische Leitfähigkeit und eine bemerkenswerte Härte in bestimmten kristallinen Formen. Seine Eigenschaften hängen stark davon ab, wie die Boratome räumlich angeordnet sind.

Kristallines Bor ist ein harter und spröder Feststoff. Viele seiner Kristallstrukturen enthalten charakteristische Einheiten aus zwölf Boratomen, sogenannte B₁₂-Ikosaeder. Ein Ikosaeder ist ein Körper mit zwanzig dreieckigen Flächen.

Diese komplexen Strukturen tragen wesentlich zu den besonderen mechanischen und elektronischen Eigenschaften des Elements bei.

Warum ist Bor so hart?

In kristallinem Bor sind die Atome durch ein ausgedehntes Netzwerk starker kovalenter Bindungen miteinander verbunden. Dadurch können sehr widerstandsfähige Strukturen entstehen.

Die Härte hängt allerdings von der jeweiligen Kristallstruktur ab. Bor ist deshalb nicht in jeder Form gleich hart.

Besonders harte Borverbindungen sind beispielsweise Borcarbid und Bornitrid. Sie werden als technische Keramiken und verschleißfeste Werkstoffe eingesetzt.

Wie reagiert Bor mit Sauerstoff?

Bor ist bei Raumtemperatur vergleichsweise reaktionsträge. Beim starken Erhitzen kann es jedoch mit Sauerstoff reagieren und Bortrioxid bilden:

4 B + 3 O₂ → 2 B₂O₃

Bortrioxid ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die Herstellung borhaltiger Gläser und weiterer Borverbindungen.

Die hohe Temperaturbeständigkeit von Bor und verschiedenen Borverbindungen ist einer der Gründe für ihre Bedeutung in der Werkstofftechnik.

Warum ist die Chemie des Bors so ungewöhnlich?

Bor besitzt nur drei Valenzelektronen, kann aber komplexe Verbindungen mit zahlreichen Bindungspartnern bilden. In manchen dieser Verbindungen reichen gewöhnliche Zweizentren-Zweielektronen-Bindungen nicht aus, um die Struktur angemessen zu beschreiben.

Besonders deutlich wird dies bei den Boranen, also Verbindungen aus Bor und Wasserstoff. In solchen Molekülen können Elektronen gemeinsam an der Bindung von drei Atomen beteiligt sein.

Diese sogenannten Dreizentren-Zweielektronen-Bindungen gehören zu den klassischen Beispielen für ungewöhnliche chemische Bindungsverhältnisse.

Wo kommt Bor vor?

Bor kommt in der Erdkruste nicht als reines Element vor, sondern überwiegend in Form von Boraten und anderen borhaltigen Mineralien. Seine Verbindungen finden sich unter anderem in Sedimentlagerstätten, Salzseen und bestimmten vulkanisch beeinflussten Gebieten.

Ein besonders bekanntes Bor-Mineral ist Borax, das seit Jahrhunderten genutzt wird.

Borax – ein historisch bedeutendes Mineral

Borax ist ein Natriumborat, das in seiner üblichen mineralischen Form Kristallwasser enthält. Seine chemische Formel lautet Na₂B₄O₇ · 10 H₂O.

Borax wurde historisch unter anderem als Flussmittel bei der Metallbearbeitung verwendet. Ein Flussmittel erleichtert beispielsweise das Schmelzen und Verarbeiten bestimmter Materialien.

Außerdem spielte Borax bei der Herstellung von Glasuren und Reinigungsmitteln eine Rolle.

Weitere wichtige Borminerale

Zu den wirtschaftlich bedeutenden borhaltigen Mineralien gehören:

• Borax: ein wasserhaltiges Natriumborat.

• Kernit: ein weiteres wasserhaltiges Natriumborat.

• Colemanit: ein wasserhaltiges Calciumborat.

• Ulexit: ein wasserhaltiges Natrium-Calcium-Borat.

Große Boratlagerstätten befinden sich unter anderem in der Türkei und den Vereinigten Staaten.

Wie wird Bor gewonnen?

Die industrielle Herstellung von elementarem Bor erfolgt aus geeigneten Borverbindungen. Eine Möglichkeit ist die Reduktion von Bortrioxid mit Magnesium:

B₂O₃ + 3 Mg → 2 B + 3 MgO

Dabei entsteht zunächst ein Produkt, das noch Verunreinigungen enthalten kann. Für Anwendungen mit besonders hohen Reinheitsanforderungen sind zusätzliche Reinigungs- oder andere Herstellungsverfahren erforderlich.

Die Gewinnung von Borverbindungen aus natürlichen Boratmineralien ist wirtschaftlich wesentlich bedeutender als die Herstellung großer Mengen reinen Bors.

Die Isotope von Bor: Bor-10 und Bor-11

Natürliches Bor besteht aus zwei stabilen Isotopen. Beide enthalten fünf Protonen, unterscheiden sich jedoch in ihrer Neutronenzahl.

Bor-10 – wichtig für die Kerntechnik

Bor-10 kann langsame Neutronen mit hoher Wahrscheinlichkeit einfangen. Bei einer wichtigen Kernreaktion entstehen ein Lithium-7-Kern und ein Alphateilchen:

¹⁰B + n → ⁷Li + ⁴He

Diese Eigenschaft macht Bor-10 für die Kerntechnik besonders interessant.

Borhaltige Materialien können eingesetzt werden, um Neutronen zu absorbieren. Dies ist beispielsweise bei bestimmten Steuer- und Abschirmmaterialien in Kernreaktoren wichtig.

Bor-11 – das häufigste Isotop

Bor-11 besitzt fünf Protonen und sechs Neutronen. Es macht ungefähr vier Fünftel des natürlich vorkommenden Bors aus.

Auch Bor-11 ist für die Kernphysik von Interesse, unter anderem bei Untersuchungen bestimmter Fusionsreaktionen. Solche Konzepte befinden sich jedoch weitgehend im Forschungsstadium.

Die Entdeckung von Bor – drei Chemiker und ein schwieriges Element

Die Entdeckung des Bors ist eng mit den Fortschritten der Chemie zu Beginn des 19. Jahrhunderts verbunden. Borhaltige Stoffe wie Borax waren schon lange bekannt, doch das darin enthaltene chemische Element konnte zunächst nicht isoliert werden.

Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard – 1808

Die französischen Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850) und Louis Jacques Thénard (1777–1857) gewannen 1808 durch die Reduktion von Borsäure beziehungsweise daraus hergestelltem Bortrioxid mit Kalium einen borhaltigen Stoff.

Damit gelang ihnen eine frühe Darstellung des Elements. Das Produkt war allerdings noch verunreinigt und entsprach nicht dem hochreinen Bor, das heute hergestellt werden kann.

Humphry Davy – eine unabhängige Entdeckung

Im selben Jahr untersuchte der britische Chemiker Humphry Davy (1778–1829) ebenfalls die Zusammensetzung von Borverbindungen. Auch ihm gelang die Darstellung eines borhaltigen elementaren Produkts.

Deshalb werden Gay-Lussac, Thénard und Davy gemeinsam mit der Entdeckung beziehungsweise frühen Isolierung des Bors im Jahr 1808 verbunden.

Warum war reines Bor so schwer herzustellen?

Bor besitzt eine hohe Affinität zu bestimmten anderen Elementen und bildet sehr stabile Verbindungen. Außerdem ist seine Chemie strukturell komplex.

Frühe Reduktionsverfahren lieferten deshalb häufig Produkte, die noch Sauerstoff, Metallreste oder andere Verunreinigungen enthielten.

Die Herstellung hochreinen Bors erforderte wesentlich weiterentwickelte chemische Verfahren.

Wofür wird Bor verwendet?

Bor und seine Verbindungen besitzen ein breites Anwendungsspektrum. Besonders wichtig sind die Glas- und Keramikindustrie, die Herstellung spezieller Werkstoffe, die Halbleitertechnik und die Kerntechnik.

Borosilikatglas – hitzebeständiges Glas

Eine der bekanntesten Anwendungen von Bor ist die Herstellung von Borosilikatglas.

Dieses Glas enthält neben Siliciumdioxid auch Boroxid. Dadurch lassen sich Eigenschaften wie die Wärmeausdehnung und die chemische Beständigkeit gezielt beeinflussen.

Borosilikatglas besitzt häufig einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Deshalb verträgt es schnelle Temperaturänderungen besser als viele gewöhnliche Kalk-Natron-Gläser.

Es wird beispielsweise für Laborgeräte, technische Glasbauteile und hitzebeständige Haushaltsprodukte verwendet.

Borcarbid – ein extrem harter Werkstoff

Borcarbid ist eine sehr harte keramische Verbindung, deren Zusammensetzung häufig näherungsweise mit B₄C angegeben wird.

Es besitzt eine geringe Dichte und eine hohe Verschleißbeständigkeit.

Borcarbid wird unter anderem in Schleifmitteln, verschleißfesten Bauteilen und bestimmten Schutzkeramiken eingesetzt.

Außerdem kann es aufgrund seines Borgehalts für Anwendungen interessant sein, bei denen Neutronen absorbiert werden sollen.

Bornitrid – ein vielseitiger Werkstoff

Bornitrid besteht aus Bor und Stickstoff. Je nach Kristallstruktur kann es sehr unterschiedliche Eigenschaften besitzen.

Hexagonales Bornitrid besitzt eine schichtartige Struktur und wird unter anderem als Festschmierstoff eingesetzt.

Kubisches Bornitrid ist dagegen ein sehr harter Werkstoff, der beispielsweise für Schneid- und Schleifwerkzeuge verwendet wird.

Die unterschiedlichen Eigenschaften zeigen, wie stark die räumliche Anordnung der Atome das Verhalten eines Materials beeinflusst.

Bor in der Halbleitertechnik

Bor ist ein wichtiger Dotierstoff für Silicium.

Beim Dotieren werden gezielt sehr geringe Mengen fremder Atome in einen Halbleiter eingebracht, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern.

Da Bor drei Valenzelektronen besitzt, kann es in einem Siliciumkristall als Akzeptor wirken. Dadurch entsteht eine sogenannte p-Leitung, bei der positiv wirkende bewegliche Ladungsträger, die sogenannten Löcher, eine wichtige Rolle spielen.

Diese Technik ist für zahlreiche elektronische Bauelemente von Bedeutung.

Bor in Neodym-Magneten

Besonders starke Dauermagnete bestehen häufig aus einer Legierung auf Grundlage von Neodym, Eisen und Bor.

Eine wichtige magnetische Phase besitzt die Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B.

Solche Magnete werden beispielsweise in Elektromotoren, Generatoren, Lautsprechern und verschiedenen elektronischen Geräten eingesetzt.

Obwohl Bor nur einen vergleichsweise kleinen Anteil der Verbindung ausmacht, ist es für die Kristallstruktur und damit für die magnetischen Eigenschaften wesentlich.

Bor in Waschmitteln und Reinigungsprodukten

Bestimmte Borverbindungen wurden und werden in Reinigungsprodukten eingesetzt. Borate können beispielsweise als Bestandteile von Waschmittelformulierungen oder zur Beeinflussung des pH-Werts dienen.

Ihre Verwendung ist jedoch von den jeweiligen gesetzlichen Regelungen abhängig. Einige Borverbindungen unterliegen aufgrund ihrer gesundheitlichen Eigenschaften Beschränkungen.

Deshalb darf die historische Verwendung von Borax nicht mit einer allgemeinen Unbedenklichkeit gleichgesetzt werden.

Bor und die Chemie der Borane

Borane sind Verbindungen aus Bor und Wasserstoff. Sie gehören zu den faszinierendsten Stoffgruppen der anorganischen Chemie.

Ein bekanntes Beispiel ist Diboran mit der Summenformel B₂H₆.

In Diboran treten ungewöhnliche Bindungsverhältnisse auf. Zwei Wasserstoffatome befinden sich in Brückenpositionen zwischen den Boratomen.

Die Bindung kann nicht vollständig durch das klassische Modell erklärt werden, bei dem jeweils zwei Atome ein gemeinsames Elektronenpaar besitzen.

Stattdessen kommen Dreizentren-Zweielektronen-Bindungen vor, bei denen ein Elektronenpaar an der Bindung von drei Atomen beteiligt ist.

Diese Bindungsform spielte eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung chemischer Strukturmodelle.

Viele Borane sind reaktionsfreudig, leicht entzündlich oder giftig. Sie sind deshalb keine Stoffe für einfache Schulversuche.

Bor und die Kerntechnik

Bor besitzt aufgrund des Isotops Bor-10 eine große Bedeutung bei der Kontrolle von Neutronen.

In Kernreaktoren müssen die bei Kernspaltungsprozessen freigesetzten Neutronen kontrolliert werden, damit die Kettenreaktion unter geeigneten Bedingungen abläuft.

Borhaltige Materialien können Neutronen aufnehmen und dadurch die Zahl der für weitere Spaltungen verfügbaren Neutronen beeinflussen.

Eine wichtige Anwendung ist Borsäure in bestimmten Reaktorkühlmitteln. Auch Borcarbid wird als neutronenabsorbierender Werkstoff eingesetzt.

Diese Anwendungen beruhen auf kernphysikalischen Eigenschaften des Bors und nicht auf seinen gewöhnlichen chemischen Reaktionen.

Welche biologische Bedeutung hat Bor?

Bor ist für zahlreiche Pflanzen ein essentielles Spurenelement. Es spielt unter anderem eine wichtige Rolle für die Struktur und Funktion pflanzlicher Zellwände sowie für verschiedene Wachstumsprozesse.

Bei Bormangel können Pflanzen Entwicklungsstörungen zeigen. Die benötigten Mengen sind jedoch gering.

Für den Menschen ist Bor bislang nicht eindeutig als essentielles Spurenelement anerkannt. Zwar wird untersucht, welche biologischen Wirkungen Borverbindungen im menschlichen Organismus besitzen, eine unverzichtbare physiologische Funktion ist jedoch nicht gesichert.

Die Wirkung von Borverbindungen hängt außerdem stark von ihrer chemischen Form und der aufgenommenen Menge ab.

Ist Bor giftig?

Die gesundheitlichen Eigenschaften unterscheiden sich deutlich zwischen elementarem Bor und seinen verschiedenen Verbindungen.

Elementares Bor ist nicht mit Borsäure, Borax oder anderen Boraten gleichzusetzen.

Bestimmte Borverbindungen können bei entsprechender Exposition gesundheitsschädlich sein. Insbesondere Borsäure und einige Borate sind in der Europäischen Union als reproduktionstoxisch eingestuft.

Auch bei borhaltigen Stäuben können je nach Stoff und Expositionsbedingungen Gesundheitsgefahren bestehen.

Eine sachgerechte Gefährdungsbeurteilung muss deshalb immer die konkrete chemische Verbindung berücksichtigen.

Fünf faszinierende Fakten über Bor

1. Bor wurde 1808 von mehreren Chemikern unabhängig untersucht. Gay-Lussac, Thénard und Humphry Davy gehören zu den wichtigsten Namen seiner Entdeckungsgeschichte.

2. Bor kann extrem harte Materialien bilden. Besonders Borcarbid und kubisches Bornitrid werden für technische Anwendungen genutzt.

3. Bor macht Glas widerstandsfähiger gegen Temperaturwechsel. Borosilikatglas wird deshalb unter anderem in Laborgeräten verwendet.

4. Bor ist ein wichtiger Bestandteil starker Dauermagnete. Neodym-Eisen-Bor-Magnete kommen in zahlreichen elektrischen Geräten und Maschinen zum Einsatz.

5. Bor ist für Pflanzen lebensnotwendig. Für den Menschen ist dagegen bislang keine eindeutig essentielle Funktion nachgewiesen.

Bor im Online-Periodensystem von blume

Bor steht mit der Ordnungszahl 5 in der zweiten Periode und in der 13. Gruppe des Periodensystems. Es besitzt drei Außenelektronen und zeigt als Halbmetall Eigenschaften, die es deutlich von den benachbarten Elementen Beryllium und Kohlenstoff unterscheiden.

Seine Stellung im Periodensystem verdeutlicht den Übergang von metallischen zu nichtmetallischen Eigenschaften innerhalb der zweiten Periode.

Im Online-Periodensystem von blume lassen sich Bor und die weiteren chemischen Elemente im Zusammenhang ihrer Stellung, ihres Atomaufbaus und ihrer Eigenschaften entdecken.

Wissenschaftliche Quellen und Literatur

Buchquellen

• Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

• Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9.

Ergänzende wissenschaftliche Referenzquellen

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Standard Atomic Weights.

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Data for Boron.

• Royal Society of Chemistry: Boron – Element information.

• PubChem, National Center for Biotechnology Information: Boron – Elementdaten.

• Encyclopaedia Britannica: Boron – Chemical element.